环形试样测量方法优化磁性能评估软磁材料的直流磁性能

1.试样

1）试样是横截面为矩形或圆形的未经焊接的均质圆环。环样的横截面积由产品尺寸、磁性能的均匀性、所用设备的灵敏度以及测试线圈所需要的空间确定。通常横截面积为100～500mm²。

2）制备试样时应防止材料的加工硬化和受热，避免影响其磁性能。整体实心环样可通过车削加工制备，并最终研磨抛光。加工时要充分冷却以防止试样发热。环样的棱边应去除毛刺。

3）为减小磁场强度径向变化的影响，环样尺寸应满足下式：D≤1.1d

式中 D——试样的外径，单位为m；

d——试样的内径，单位为m。

4）试样的平均磁路长度由下式计算：

式中 L——试样的平均磁路长度，单位为m。

2.绕组

1）绕线前可先从铁心上引出一条导线，供各绕组绝缘性的后续检查，然后可在试样表面直接安放一个温度传感器，再在环样上覆上一层薄的绝缘材料。

2）在铁心上均匀紧密地用绝缘铜线绕制次级绕组，测定次级绕组的尺寸并计算其平均横截面积A。

3）在铁心上均匀紧密地绕一层或多层绝缘铜线，制成磁化绕组。磁化绕组应能负荷额定的最大磁化电流，其绕线匝数应足以产生出所需要的最大磁场强度。磁化绕组可由以下方式构成：①单条导线均匀紧密地沿整个环样绕很多匝；②多股芯线均匀紧密地沿整个环样相对少绕一些匝数，各股芯线的两端相互连接成多层绕组的效果；③用刚性或半刚半柔的装置，相应的导线可按接插的方式打开，并可安放带次级绕组和绝缘层的环样，闭合后的导线形成一个沿环样均匀绕线的磁化绕组。

4）如有必要，将已绕线的环样浸入油槽或以鼓风机吹风冷却。

3.温度

应注意防止试样过热。测量应在（23±5）℃的环境温度下进行。试样的温度应不超过50℃，该温度可由传感器监测。

4.设备连接

设备的电路连接如图8-16所示。

图8-16 设备连接图

E—直流电源 R₁、R₂—电阻器 S₁—转换开关S₂—开关 W₁—初级绕组 W₂—次级绕组

直流电源E（一个波动量小于0.1%的直流稳定电源，或者一个电池）的一端通过电流测量装置Ⓐ和转换开关S₁连接到环样上的磁化绕组W₁。如果使用双极电流源，则不需要转换开关S₁，当开关S₂闭合时，磁化电路中的电流由电阻器R₁控制。如果使用输出连续可调的稳定电源，则不需要电阻器R₁。此磁化电路用于测定正常磁化曲线和磁滞回线的顶点。在测定完整磁滞回线的电路中，应使用开关S₂和相连的电阻器R₂。次级电路由磁通积分器及与其连接的次级绕组W₂（B线圈）构成。

5.磁通积分器的校准方法

（1）互感法　将已知互感器的初级绕组与环形磁心的初级绕组或磁导计的磁化绕组连接。互感器的次级绕组与以下元件串联：

1）测量磁通密度时，环形磁心或B线圈的次级绕组。

2）测量磁场强度时，H线圈。

校准时，将互感器初级绕组的电流适当变化ΔI，记录磁通积分器的示值a_c。磁通积分器的校准常数由下式计算：

式中 K——磁通积分器的校准常数，单位为V·s；

M——互感系数，单位为H；

ΔI——初级电流的变化，单位为A；

a_c——磁通积分器的示值。

在磁通密度和磁场强度的后续测量中，应将互感器的次级绕组短路。如果用一个电阻器与积分器串联，应调节这个电阻器。如果不使用任何串联电阻器，则应按下式对磁通积分器校准常数进行修正：

式中 K_c——修正后的磁通积分器的校准常数，单位为V·s；

R——感应线圈的内部电阻，单位为Ω；

R_F——磁通积分器的输入电阻，单位为Ω；

R_T——互感器次级绕组的电阻，单位为Ω。

（2）电容器放电法　用电容器放电法校准磁通积分器的电路原理如图8-17所示。

图8-17 电容器放电法校准磁通积分器的电路原理

磁通积分器的校准按以下步骤进行：

1）用校准过的电压表测量电压U，该电压由校准过的电容器C充电后提供，换向开关在位置a。

2）开关换到位置b，使电容放电，数值为Q的电荷流经整个回路，仅有电荷q流经磁通积分器，产生一个偏移δ。磁通积分器校准常数K按下式计算：

式中 C——电容器的电容，单位为F；

U——由电容器提供的电位差，单位为V；

R_S——分路电阻的阻值，单位为Ω；(www.xing528.com)

δ——磁通积分器的示值。

（3）参考磁体法　用磁共振探头对参考磁体进行校准，参考磁体用AlNiCo永磁材料制成。连接校准过的探测线圈与磁通积分器的输入端。将该线圈引入参考磁体的均匀磁通密度的区域，记录磁通积分器的示值。磁通积分器的校准常数K可由下式计算：

式中 K——磁通积分器的校准常数，单位为V·s；

B——参考磁体间隙中的磁通密度，单位为T；

δ——磁通积分器的示值；

（NA）——探测线圈的有效面积与匝数的乘积，单位为m²。

6.磁场强度的测量

磁化电流的测量不确定度应在±0.5%范围内。磁场强度按下式计算：

式中 H——磁场强度，单位为A/m；

I——磁化电流，单位为A；

L——环样平均磁路长度，单位为m；

N₁——磁化绕组的匝数。

7.磁通密度的测量

次级绕组W₂（B线圈）与磁通积分器（电子积分器，冲击检流计或磁通计）连接，按规定方法校准磁通积分器，相关的测量不确定度应在±1%范围内。磁通密度的变化按下式计算：

式中 A——环样的横截面积，单位为m²；

N₂——次级绕组的匝数；

K_B——磁通积分器校准常数，单位为V·s；

ΔB——测得的磁通密度的变化，单位为T；

a_B——磁通积分器的示值。

8.正常磁化曲线的测定

试样应仔细退磁，从磁场强度不小于5kA/m开始，反复换向，并逐渐降低退磁场。测试前经受过较高磁场强度的试样（如使用磁性夹具加工试样的情况），应从高于该磁场强度开始退磁。为了使磁场完全穿过试样，对于横截面为10mm×10mm的试样，每次换向之后的停留时间应大于2s，而横截面为20mm×20mm的试样，停留时间应大于10s。用任一方法校准磁通积分器后闭合S₂，用连续记录法或逐点记录法测定正常磁化曲线。

（1）连续记录法　连接磁通积分器的输出端与X-Y记录仪、绘图仪或计算机接口的Y轴端口。与磁化绕组串联一只带有两个电流接线端和两个电压接线端的经校准的低值电阻器。该电阻器的电压接线端应与X-Y记录仪、绘图仪或计算机接口的X轴端口连接。可对整个系统进行校准，并直接在记录仪、绘图仪或计算机界面给出磁通密度和磁场强度的数值。磁化电流应从零开始稳定增大，直至达到产生所需要的最大磁场强度的电流值。然后在X-Y记录仪、绘图仪或计算机界面上绘制出磁化曲线。

（2）逐点记录法　在磁化绕组W₁中按式（8-26）接一个对应低磁场强度的小电流。该电流应通过转换开关S₁反复换向10次，使材料进入稳定循环状态。在此操作过程中（设备连接见图8-16），应保持开关S₃闭合，使磁通积分器示值为零。断开开关S₃，记录对应磁场换向的磁通积分器示值，并计算相应的磁通密度。持续增加电流，重复上述操作，即可得到一组磁场强度和磁通密度的对应值，并以此绘制出正常磁化曲线。

9.完整磁滞回线的测定

将试样退磁，在磁化绕组W₁中通以足够产生所需要的最大磁场强度的电流，磁滞回线的顶点由磁场强度和相应的磁通密度的测量值来确定。

在开关S₁合至位置1和开关S₂断开的状态下，测定磁滞回线的PQ部分（如图8-18所示），并测量相应的磁场强度以及磁通密度的变化。通过调节电阻器R₂，可获得PQ曲线上的若干点。闭合开关S₂测得Q点，此时断开开关S₁，测量磁通密度的变化。每个点的磁场强度值由测得的相应电流值按式（8-26）计算。每个点的磁通密度值按下式计算：

B_P′=B_P—ΔB （8-28）

式中 B_P′——PQ曲线上P′点处的磁通密度，单位为T；

B_P——磁滞回线顶点的磁通密度，单位为T；

ΔB——开关S₁闭合到位置1和开关S₂断开时测得的磁通密度的变化，单位为T。

在开关S₁闭合和开关S₂断开的状态下，测定磁滞回线的QS部分。从开关S₁断开位置开始，将其闭合至位置2，测量磁场强度和磁通密度的变化。每个点的磁场强度值由开关S₁闭合至位置2时测得的电流值按式（8-26）计算。每个点的磁通密度值由下式计算：

B_Q′=B_Q-ΔB （8-29）

式中 B_Q′——QS曲线上Q′点的磁通密度，单位为T；

B_Q——Q点的磁通密度，单位为T；

ΔB——开关S₁闭合到位置2和开关S₂断开时测得的磁通密度的变化，单位为T。

图8-18 磁滞回线

为获得完整的磁滞回线，开关的闭合顺序应按表8-51排列，以使试样保持在稳定循环的状态。

表8-51 使试样保持在稳定循环状态的开关闭合顺序

10.剩余磁通密度的测定

对给定的磁滞回线，材料的剩余磁通密度是当磁场强度为零时的磁通密度值，单位为T，应由磁滞回线上的Q点位置或对称的T点位置确定。

11.矫顽场强度的测定

对给定的磁滞回线，材料的矫顽场强度是当磁通密度为零时的磁场强度值，单位为A/m，应由磁滞回线上的R点位置或对称的U点位置确定。